3500E EPA Tier 4 Final and IMO-II/III Switchable Marine Engines Caterpillar


Air Inlet and Exhaust System Operation - Aftertreatment

Usage:

3512E MD3
Caterpillar 清洁排放模块(CEM)壳体盖住处理发动机废气的催化转化器。

系统结构图



图 1g06077530
(1) 清洁排放模块(CEM)
(2) 喷射控制机柜
(3) 柴油机排气处理液 (DEF) 客户提供的罐
(4) 压缩空气供应
(5) 独立回路后冷器 (SCAC)
(6) 空气滤清器
(7) 涡轮增压器压缩机
(8) 涡轮增压器涡轮
(9) 混合管
(10) 选择性催化还原(SCR)
(11) 排气出口

柴油机排气处理液(DEF)

注: 可使用两个工具测量 DEF 浓度。 两个工具分别为 431-7087 工具总成(折射计 (DEF))和 360-0774 折射计 (Brix)。 有关更多信息,请参阅测试和调整, "柴油机排气处理液质量 - 测试"。

选择性催化还原 (SCR) 指的是处理发动机排气的方法,旨在减少不需要的氮氧化合物 NOx。 SCR 使用催化剂优先于其他可能的化学反应,促进所需的化学反应。 催化剂保持不变。 氨气 (NH3) 混入排气中,与催化剂上的 NOx 反应,形成无害化合物(水和氮气)。 此系统中,向排气喷射尿素 ((NH2)2CO) ,在加热情况下快速分解为氨气。 使用尿素是因为尿素比较便宜,不需要氨气要求的特殊处理。

DEF 是一种尿素水溶液(溶解在水中的尿素盐)。

系统需要 32.5% 或 40%(按重量计)的 DEF 溶液。

对于此溶液,32.5% 的浓度有可能的最低冰点是 −11 °C (11 °F)

浓度为 32.5% 的尿素通过凝固和融化来保持恒定浓度。

DEF 必须在 50 °C (122 °F) 以下存储,以延迟分解。

注: 客户负责提供 DEF 从现场罐到缓冲罐的粗滤。 该系统要求一个 40 微米的粗滤器。

只使用按照 ISO 22241-1 满足品质特性的 DEF。 使用不满足 ISO 22241-1 的 DEF 可能会导致喷嘴堵塞。

请参阅操作和保养手册, "保养章节"获得 DEF 供应商的位置。

DEF 是一个氨气的无毒源。

DEF 具有腐蚀性。 不要将 DEF 存放在以下材料制成的罐中或使用由以下材料制成的供应管路:铝、铜和钢。 只使用抗腐蚀材料,例如 PVC 或不锈钢。 所有 O 形密封圈都必须为三元乙丙橡胶(EPDM)。

清洁排放模块(CEM)

Z 型 CEM



图 2g03776497
(1) 排气进口
(2) 催化剂砖
(3) 维修门
(4) 出口混合器
(5) 排气出口
(6) 槽
(7) 导流板
(8) 挡板混合器
(9) 旋流混合器
(10) 混合管
(11) 尿素喷射器

U 型 CEM



图 3g03776498
(1) 排气进口
(2) 尿素喷射器
(3) 混合管
(4) 旋流混合器
(5) 挡板混合器
(6) 维修门
(7) 催化剂砖
(8) 出口混合器
(9) 槽
(10) 排气出口

CEM 操作

排气离开发动机并进入混合管,在这里,DEF 喷入排气流。

DEF 分解为氨气和二氧化碳。

排气和氨气的混合物通过 SCR。

氨气在 SCR 催化器中与排气流中的 NOx 反应生成水蒸气和氮气。

喷射控制机柜



图 4g03773465
(1) SCR 控制器
(2) 至主 DEF 罐的导线线束接头
(3) 至 CEM 的导线线束接头
(4) DEF 通气口
(5) AC 电源输入
(6) 断路器
(7) 配线线束
(8) DEF 出口至 CEM
(9) 空气出口至 CEM
(10) 进气口
(11) DEF 进口
(12) 至发动机 ECM 的导线线束接头
(13) 维修工具接头
(14) DEF 泵
(15) DEF 罐

喷射控制机柜控制以下各项:

  • 至喷射器的 DEF 流速

  • 压缩空气

压缩空气用途如下:

  • 喷射到排气流期间促进液态 DEF 的雾化

  • 喷射前隔离喷射器中的液态 DEF 避免受到废热影响,以便不会产生结晶导致喷嘴堵塞。

  • 停机期间净化至喷射器的 DEF 管路以防 DEF 结晶导致堵塞。

喷射控制系统

喷射控制系统的目的是计量进入排气流的 DEF。

喷射控制机柜包括提供基本逻辑的电子控制模块(ECM)。

理想的 DEF 喷射速率通过闭环系统利用 NOx 传感器的反馈进行确定。 传感器测量进入 CEM 的进气和离开 CEM 的排气中的氮氧化物 (NOx) 含量。

如果 NOx 传感器指示排气出口中的 NOx 含量高,闭环系统将要求增加 DEF 流速。

通过增加至喷射泵的指令信号频率来增加 DEF 流速。

后处理 ECM 控制至喷射泵的指令信号频率。

喷射控制机柜侧上提供有通信适配器塞以便易于连接。

喷油器

喷油器组件



图 5g03773466
(1) 喷嘴
(2) 喷油器

喷油器 (1) 是一个结构元件,用于将喷嘴组件 (2) 保持在混合管的中心轴上。 喷嘴输送 DEF 和空气混合物。

喷嘴组件



图 6g03773469
(1) 喷嘴
(3) 空气
(4) DEF
(5) 油液盖
(6) 空气盖

DEF 和空气在油液盖 (5) 和多孔空气喷嘴盖 (6) 之间完成混合。 混合后的液体被迫通过多孔空气喷嘴盖喷入排气流。 压缩空气导致 DEF 雾化(分离成多个细小微粒)。

DEF 供应存储系统

系统使用了两个 DEF 罐。 客户提供的罐向位于喷射控制机柜中的缓冲罐供应 DEF。 缓冲罐向 DEF 泵供应 DEF。 缓冲罐配备有液位传感器和温度传感器。

注: 客户负责提供 DEF 从现场罐到缓冲罐的粗滤。 该系统要求一个 40 微米的粗滤器。

DEF 必须在 34 kPa (5 psi)69 kPa (10 psi) 之间的排出压力下,从现场罐提供给喷射控制机柜。 如果根据喷射控制机柜和现场 DEF 罐的相对位置不能达到该压力,则可能需要一个 DEF 增压泵。

当 DEF 从主罐抽出时,喷射控制机柜接头上提供有触针以启用 DEF 输送泵。 如果压力过高,缓冲罐可能会过度加注。

DEF 流量将随发动机工况(特别是负载)变化而变化。 DEF 流量要求根据燃油流量的百分比计算得出。

只要 DEF 供应端口的 DEF 压力为 34 kPa to 69 kPa (5 psi to 10 psi),ECM 软件就会控制缓冲罐进行自动加注。

CEM 识别号模块

识别号模块向 SCR 系统 ECM 输出有关 CEM 的 10 位由字母和数字组成的序列号。

SCR 系统 ECM 通过局部 CAN 数据链路向发动机 ECM 发送此数据。

发动机 ECM 比较序列号的前 3 个字母(前缀)和编程到发动机软件中的值。

传感器(CEM)

NOx 传感器

NOx 传感器通过 CAN 数据链路传递给 SCR 系统 ECM。 传感器有内置诊断以指示传感器故障模式。

SCR 系统 ECM 控制至 NOx 传感器的电源。

后处理 #1 进口 NOx 传感器

监控后处理 #1 进口 NOx 传感器,以根据发动机出口排放水平来控制 DEF 喷射速率。

后处理 #1 出口 NOx 传感器

监控后处理 #1 出口 NOx 传感器,以根据催化器出口排放来控制 DEF 喷射速率。 SCR 系统 ECM 监控传感器,以计算所需的 DEF 流速来满足排放目标。

温度传感器

后处理 #1 SCR 催化器进气温度传感器

监控后处理 #1 SCR 催化器进气温度传感器,以便控制喷射和保护系统。

此温度指示 SCR 系统 ECM 的容量以计算 DEF 喷射速率。 监控此温度以指示温度是否过低或过高。

后处理 #1 SCR 催化器排气温度传感器

也监控后处理 #1 SCR 催化器排气温度传感器,以便控制喷射和保护系统。

此温度指示 SCR 系统的容量以计算 DEF 喷射速率。 监控此温度以指示温度是否过低或过高。

SCR 进口压力

SCR 系统 ECM 监控传感器以便保护系统。 监控此压力以指示压力是否过低或过高。

压力是在 CEM 的进口测量。 压力过高可能指示 CEM 排气系统中存在阻塞。 压力过低可能指示 SCR 催化剂砖缺失,或传感器从排气流中拆下。

传感器(喷射控制机柜)

压力传感器

DEF 压力

SCR 系统 ECM 监控传感器以便保护系统。 压力过低或过高均表明喷射系统中有故障。

空气辅助压力

SCR 系统 ECM 监控传感器以便保护系统。 压力过低或过高指示喷射系统或至喷射控制机柜的空气供应有故障。

温度传感器

缓冲罐温度

缓冲罐温度传感器(DEF 罐 #2 温度)通过 SCR 系统 ECM 监控。 监控缓冲罐温度是为了检测有无可导致 DEF 质量劣化的高温条件。

DEF 液位传感器

由 SCR 系统 ECM 监控 DEF 液位传感器。 簧片开关传感器检测依靠在传感器柱体上的浮子液面。 当 DEF 罐液位低于预期时,该传感器会予以提醒。

执行器(喷射控制机柜)

阀(电磁阀)



图 7g03777698
空气歧管
(1) 空气压力传感器
(2) 空气电磁阀
(3) 空气压力调节器


图 8g03777700
DEF 歧管
(4) DEF 回流电磁阀
(5) DEF 压力传感器
(6) DEF 加注电磁阀

这些阀为电驱动阀,用于控制空气供应和 DEF 供应。

  • 空气辅助阀

  • DEF 回流阀

  • DEF 罐加注阀

空气辅助阀

空气辅助阀受 SCR 系统 ECM 控制。 此阀用于控制进入空气歧管的空气流量。

此电磁阀为常闭阀。 当喷射控制机柜需要空气供应时,空气辅助阀打开以允许空气流入空气歧管。

DEF 缓冲罐回流阀

DEF 回流阀(电磁阀)受 SCR 系统 ECM 控制。 此电磁阀为常开,以允许 DEF 流量回到储罐。 当电磁阀通电时,阀闭合,迫使 DEF 流向 DEF 喷射器。

DEF 缓冲罐加注阀

DEF 缓冲罐加注阀受 SCR 系统 ECM 控制。 此电磁阀为常闭阀。 当缓冲罐液位降到阈值以下时,SCR 控制器将通电阀,使其打开。 这将允许 DEF 从客户提供的罐流入缓冲罐。 一旦罐液位达到特定阈值,阀指令断开并关闭。

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